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理化所等在鋰離子篩分研究中獲進展
2021年01月06日 10:15:05
來源：理化技術(shù)研究所 點擊量：3921
鋰離子作為一種重要的資源，其篩分與富集業(yè)已成為研究熱點。該工作在材料合成過程中引入仿生概念，利用二維復合材料成功構(gòu)筑了一種具有類似貝殼的層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的仿生納米限域孔道復合膜。這種非對稱復合膜可有效地實現(xiàn)鋰離子篩分和富集，為關(guān)鍵的能源元素鋰的回收利用提供了可行性的驗證。
【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】2020年12月30日，Matter在線發(fā)表了中國科學院理化技術(shù)研究所研究員聞利平和北京航空航天大學副教授張千帆團隊關(guān)于鋰離子篩分的新研究成果。 
鋰離子作為一種重要的資源，其篩分與富集業(yè)已成為研究熱點。該工作在材料合成過程中引入仿生概念，利用二維復合材料成功構(gòu)筑了一種具有類似貝殼的層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的仿生納米限域孔道復合膜。這種非對稱復合膜可有效地實現(xiàn)鋰離子篩分和富集，為關(guān)鍵的能源元素鋰的回收利用提供了可行性的驗證。
過去，科學家們模仿一些獨特的生物結(jié)構(gòu)或功能，創(chuàng)造出具有識別功能及高強度機械性能的仿生材料。近，二維(2D)納米片作為一種新興的功能材料受到關(guān)注與研究。這種材料中的納米通道可分離具有不同物理化學性質(zhì)(如尺寸大小、電荷極性及化學親和性等)的混合物。此外，納米片具有優(yōu)異的柔性、天然孔隙和電學性能，是大規(guī)模生產(chǎn)分離膜的理想材料之一。各種層狀材料相繼被成功地剝離和重構(gòu)，如氧化石墨烯(GO)、六方氮化硼、過渡金屬碳化物和氮化物(MXene)、黑磷及層狀粘土。其中，納米片表面獨特的化學活性，特別是由含氧官能團產(chǎn)生的疏水域和親水域的交替區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)的可控傳輸。然而，目前的二維材料在水溶液中不能長時間穩(wěn)定，易發(fā)生溶脹，從而影響其實際應用。
基于此，研究人員開發(fā)了一種簡單的重構(gòu)方法來獲得納米纖維交聯(lián)的功能化納米片，形成類似貝殼的層狀結(jié)構(gòu)。由于納米纖維的交聯(lián)作用，復合膜能夠有效防止水溶液進入納米片層之間引起的溶脹現(xiàn)象。力學性能測試結(jié)果表明所制備的納米片水平排列結(jié)構(gòu)具有較好的力學行為，超過了天然珍珠層的性能。這一特性使復合膜在水中能夠長期的穩(wěn)定運行和使用。該復合膜的不對稱幾何構(gòu)型和化學性質(zhì)實現(xiàn)了鋰離子的提取和篩分，其Li+/Na+和Li+/K+的選擇性分別達到2.52和4.78，超過了目前已報道的基于二維材料復合膜的性能。此外，這種具有非對稱的結(jié)構(gòu)，電荷表面以及化學活性的復合膜，有望在水處理、能量轉(zhuǎn)換以及離子電池中進一步應用。
基于仿生納米通道膜的離子篩分
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